CH674403A5

CH674403A5 -

Info

Publication number: CH674403A5
Application number: CH3693/87A
Authority: CH
Inventors: Manfred Schmitt; Wolfgang Hanke
Original assignee: Voith Gmbh J M
Priority date: 1986-10-22
Filing date: 1987-09-24
Publication date: 1990-05-31
Also published as: FR2605700B1; FI87393C; GB2197429B; GB8724058D0; AT393717B; BE1001270A4; FI874552A0; FI87393B; ATA242287A; KR950008804B1; GB2197429A; FR2605700A1; FI874552A; IT1231907B; IT8722352A0; US4838832A; KR880005377A; DE3635916C1

Description

BESCHREIBUNG deren Zähne jeweils aus zwei unter einem Winkel stehenden

Die Erfindung betrifft eine Verzahnung zur Übertragung 45 Flankenteilen bestehen, wobei weder am Kopf noch am Fuss eines Drehmomentes zwischen zwei koaxial ineinanderlie- oder an der Knickstelle zwischen den Flankenteilen ein genden Bauteilen, z. B. einem Wellenteil und einem Naben- Übergangsradius vorhanden ist. Mit dieser Verzahnung soll teil gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1. Verzah- bewusst keine Flächenberührung sondern Linienberührung nungen dieser Art sind seit langem bekannt und in den DIN zwischen dem Naben- und Wellenteil stattfinden.

5461 bis 5465 sowie 5480 festgehalten. 50 In der US-PS 2 969 250 ist eine Verzahnung offenbart, die

Diese Verzahnungen werden üblicherweise durch Abwälz- ebenfalls nur gekrümmte Zahnflanken aufweist und daher fräsen, durch Stossen oder Räumen hergestellt. Durch diese nur Linienberührung erlaubt.

spanabhebende Herstellung lassen sich vor allem massive Diese zuletzt genannten Entgegenhaltungen betreffen ins-

Bauteile sehr präzise herstellen. Häufig wird eine solche Ver- besondere Sechskantköpfe von Schrauben und erfüllen zahnung auch für Konstruktionen gewählt, bei denen zwar 55 daher nicht die an Wellen-Nabe-Verbindungen gestellten das Wellenteil massiv, das nabenseitige Teil aber aus meh- Anforderungen bezüglich Zentriergenauigkeit, Flankentrag-

reren dünnen Blechscheiben besteht, beispielsweise in fähigkeit und Verschleissfestigkeit.

Lamellenkupplungen, deren Lamellen im Betrieb axial auf Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Verzahnung für zwei der Welle verschiebbar sein müssen. Kupplungen dieser Art koaxial ineinanderliegende relativ zueinander verschiebbare sind ausser in Getrieben auch häufig im Antriebsstrang von 60 Bauteile zur Übertragung eines Drehmomentes zu schaffen,

Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor angeordnet. An die die genannten Nachteile umgeht, eine hohe Tragfähigkeit diese Kupplungen werden aufgrund des typischen Dreh- und gute Zentriergenauigkeit aufweist und sich mit engen schwingungsverhaltens des Motors besondere Anforde- Toleranzen wirtschaftlich herstellen lässt.

rangen an Genauigkeit und Geräuschfreiheit gestellt. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1

Die aus der DIN 5461 bekannte Verzahnung weist gerade 6s gelöst. Erfindungsgemäss wird eine Verzahnung vorge-

Flanken auf, und zwar sowohl an der Welle als auch der schlagen mit einem niedrigen und breiten Zahn mit geraden

Nabe, wobei die Zahnflanken zueinander parallel sind. Bei Flanken, grossen Ausrundungsradien im Kopf- und Fussbe-

Verzahnungen von zwei Teilen, die nicht fest aufeinander reich und grossem Eingriffswinkel. Aus diesen Merkmalen

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ergibt es sich, dass die Teilung der Verzahnung stets verhältnismässig gross ist, vorzugsweise grösser als das 3-fache der Zahnhöhe.

Gemäss der Erfindung betragen die Ausrundungsradien am Zahnfuss und am Zahnkopf jeweils das 1- bis 2-fache der Zahnhöhe. Bei den bekannten Verzahnungen ist dagegen immer nur ein verhältnismässig kleiner Ausrundungsradius vorhanden, der unabhängig von der Zahnhöhe gewählt ist. Der Flankenwinkel liegt gemäss der Erfindung zwischen 45 und 70 Grad, vorzugsweise zwischen 55 und 65 Grad, also ungefähr doppelt so hoch wie bei bekannten Verzahnungen.

Erfindungswesentlich ist ferner, dass der Eingriffswinkel der nabenseitigen Zähne geringfügig kleiner ist als derjenige der wellenseitigen Zähne. Der Unterschied zwischen den Eingriffswinkeln ist so gewählt, dass eine Berührung der Zähne entlang der ganzen geraden Flanken beider Teile erst dann zustande kommt, wenn das erforderliche und herstellungsbedingte Flankenspiel nach Einwirkung des Drehmomentes zwischen den Teilen überwunden ist, d. h. wenn eine spielbedingte Verdrehung beider Teile eingetreten ist.

Die mit diesen Parametern hergestellte Verzahnung weist folgende Vorteile auf : Es handelt sich um eine flankenzentrierte Verzahnung mit besonders hoher Tragfähigkeit, bei der die Umfangskraft vollflächig über grosse ebene Flächen an den Zahnflanken übertragbar ist. Die Zähne unterliegen dank der stumpfen Zahnform und der grossen Ausrundungsradien am Zahnfuss nur geringer Verformung, was zu sehr hoher Dauerfestigkeit und Zentriergenauigkeit sowie geräuscharmem Betrieb führt. Aufgrund der grossen Zahnteilung und Ausrundungsradien besteht die Möglichkeit, die Verzahnung mittels eines Schaftfräsers herzustellen, dessen Drehachse parallel zur Verzahnungsachse liegt. Bei dieser Fertigungsmethode, für die sich programmgesteuerte Maschinen gut eignen, ist es nicht mehr erforderlich, am Ende der Verzahnung einen Auslauf für einen Abwälzfräser üblicher Art oder ein Stosswerkzeug vorzusehen, was zu einer Verkürzung der Bauteile und konstruktiven Vereinfachung führt.

Wählt man zur Herstellung des nabenseitigen Teils -sofern es sich um ein Paket aus dünnen Blechlamellen handelt - wiederum das Stanzverfahren, so ergibt sich auch hier eine bessere Fertigungsqualität durch kleinere Verformung an den Kanten infolge der stumpfen Zahnform und des grossen Fussausrundungsradius und somit höhere Tragfähigkeit der Berührfläche, ferner ein einfacheres Stanzwerkzeug mit längerer Gebrauchsdauer.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel zeigt, näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 den geometrischen Aufbau der Verzahnung.

Fig. 2 die Verzahnung mit Flankenspiel.

Fig. 3 die Verzahnung in einer Mittellage, nach Verdrehung um den Winkel b/2.

In Figur 1 ist der geometrische Aufbau der erfindungsge-mässen Verzahnung mit einer Welle 1 und einem wellenseitigen Zahn 2 sowie einer Nabe 3 und einem nabenseitigen Zahn 4 in der Ausführungsform mit unendlicher Zähnezahl, d. h. in geradliniger Strecklage (Abwicklung) ohne Flankenspiel nach Art einer Zahnstange im Querschnitt senkrecht zur Wellenachse dargestellt. Der grösste Aussendurchmesser D ist vom Bauraum in der Nabe 3, und der kleinste Innendurchmesser d von der Welle 1 bestimmt. Die Zahnhöhe h ist dann bestimmt durch die halbe Differenz zwischen dem Aussendurchmesser D und dem Innendurchmesser d. MitT ist die Teilung der Verzahnung bezeichnet, die grösser ist als das Dreifache der Zahnhöhe h, ein vorteilhafter Wert ist die fünffache Zahnhöhe h. Der Zahnkopf ist mit einem einzigen Kopfradius 5, der Zahnfuss mit einem einzigen Fussradius 6 ausgerundet, wobei theoretisch der Fussradius der Welle dem Kopfradius der Nabe und umgekehrt entspricht. Beide Kopf-5 bzw. Fussradien 5,6 sind durch eine gerade Zahnflanke 7 verbunden, die sich jeweils tangential an die beiden Radien anschliesst. Beide Ausrundungsradien 5,6 betragen das Ein-bis Zweifache, vorzugsweise das Eineinhalbfache der Zahnhöhe h. Die Zahnflanke 7 am nabenseitigen und wellensei-10 tigen Zahn steht durch Anwendung dieser Parameter unter einem Eingriffswinkel a, der zwischen 45 und 70 Grad, vorzugsweise zwischen 55 und 65 Grad liegt. Den unteren Grenzwert für den Fussradius 6 bildet der Durchmesser des Fräsers bzw. Werkzeuges, mit dem die Verzahnung herge-15 stellt wird. Der obere Grenzwert ist gegeben durch den geometrischen Zusammenhang, dass die Zahnflanke, die die Tangente zwischen dem Kopf- und Fussausrundungsradius bildet, mit zunehmenden Radien 5,6 kürzer wird. Die Radien 5,6 sind so gewählt, dass zwischen den Einmün-20 dungspunkten 8 der Radien 5,6 in die Flanke 7 eine Gerade und somit am ganzen Zahn eine Fläche entsteht, deren radiale Erstreckung r ca. 0,6 mal die Zahnhöhe h beträgt. Diese Fläche ist eben und stellt die eigentliche Berührfläche dar, über die die Umfangskraft vollflächig von der Welle auf 25 die Nabe übertragen werden kann.

Um ein ausschliessliches Tragen der Verzahnung nur an den Flanken 7 zu gewährleisten und zu verhindern, dass zwischen dem Kopfbereich z. B. der Wellenzähne 2 und dem Fussbereich der Nabenzähne 4 eine Berührung stattfindet, 30 können die Kopf- und Fussradien 5,6 unterschiedlich ausgeführt werden. Es ist ferner möglich, eine Kopfkürzung vorzunehmen, z. B. an der Welle 1 auf den Durchmesser 9, wobei die Kürzung so erfolgt, dass der gerade Bereich der Flanke 7 in voller Erstreckung erhalten bleibt. Diese Kürzung eignet 35 sich vorzugsweise für die wellenseitigen Zähne. Eine andere Form der Kopfkürzung besteht darin, am Einmündungspunkt 8 des Kopfradius 5 einen kleinen Radius 10 anzufügen, dem sich ein geradliniger Teil 11 bis zur Zahnmitte anschliesst und sich symmetrisch zur rückseitigen Flanke 7 40 fortsetzt. Diese Form der Kopfkürzung eignet sich vor allem für die nabenseitigen Zähne 4 insbesondere dann, wenn die Nabe aus einem Paket aus dünnen gestanzten Blechlamellen besteht. Vorzugsweise wird der Radius 10 gleich oder grösser ausgeführt als die Blechstärke der einzelnen Blechlamellen. 45 Auf diese Weise ist gewährleistet, dass sich nur ein kleiner Stanzeinzug, d. h. Verformung an den gestanzten Blechkanten bildet, was wiederum zur Erhöhung des tragenden Flächenanteiles führt. Da im Gegensatz zum Stand der Technik zwischen den Flanken 7 beider Bauteile eine vollflä-50 chige Berührung stattfindet, ist auf diese Weise Raum geschaffen für ein Schmiermittel und die Ablage von Schmutzteilchen.

Die Figur 2 zeigt eine detailliertere und der praktischen Ausführung nahekommende Darstellung des Flankenbe-55 reichs zwischen Welle 1 und Nabe 3 gerundet in der Anordnung um eine zentrale Achse. Dargestellt ist der Zustand, bei dem sich auf der einen Seite des Zahnes 2 die Flanken 7 der Nabe und Welle flächig berühren, während auf der anderen Seite das volle Flankenspiel 12 sichtbar ist. Der Zahn 2 der 60 Welle 1 weist eine Zahnform auf, die den zu Figur 1 beschriebenen Parametern entspricht. Zwischen dem wellenseitigen Zahn 2 und dem nabenseitigen Zahn 4 ist ein für die Funktion der Verzahnung erforderliches und auch herstellungsbedingtes Flankenspiel 12 vorhanden. Dies äussert sich durch 65 eine relative Verdrehmöglichkeit zwischen Welle und Nabe. Einem Verdrehwinkel b entspricht aber eine Abweichung von der parallelen Lage seitens beider einander zugehöriger Flanken 7 der wellen- und nabenseitigen Zähne 2 und 4.

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Werden beide Teile mit geometrisch identischen Zähnen her- Mittellage, bei der zwischen den Flanken 7 jeweils der halbe gestellt, so ist ein absolut ganzflächiger Kontakt zwischen Verdrehwinkel b/2 vorliegt. Angegeben sind ferner die in der den Flanken 7 nicht möglich, es erfolgt Linienberührung mit praktischen Ausführung unterschiedlichen Eingriffswinkel a deren Nachteilen. Gemäss der Erfindung sind die wellensei- und c. Die Flanken 7 der wellen- und nabenseitigen Zähne 2 tigen Zähne 2 gegenüber der Lücke zwischen den nabensei- s und 4 kommen nach Verdrehung um den Winkel b/2 zu voll-tigen Zähnen 4 mit einem grösseren Eingriffswinkel a ver- flächiger Berührung aufeinander. Im Gegensatz hierzu zeigt sehen, der die relative Verdrehung der Teile 1 und unter 3 die Figur 1 wie beschrieben die Verzahnung ohne Flanken-Überwindung des Flankenspiels 12 unter der Wirkung des spiel in gestreckter Lage, wobei der Eingriffswinkel a die-Drehmoments berücksichtigt. Dabei setzt sich der Eingriffs- selbe Grösse hat wie der Eingriffswinkel c.

winkel a des wellenseitigen Zahnes 2 zusammen aus dem io Während die in der DIN-Norm festgelegten Verzahnung Eingriffswinkel c zwischen zwei nabenseitigen Zähnen und von einem festen Bezugsprofil mit unveränderlichem Ein-dem halben Verdrehwinkel, also b/2. Ist das Flankenspiel 12, griffswinkel ausgeht, bedient sich die Erfindung einer auf also der ganze Verdrehwinkel b, überwunden, decken sich den Einsatzfall speziell zugeschnittenen Zahnform. Der Eindie Flanken 7 der sich berührenden naben- und wellensei- griffswinkel a, c hat keinen festen Wert, sondern ist eine von tigen Zähne auf ihrer ganzen Länge. Die Wahl der Grösse des is dem zwischen den Aussen- und Innendurchmessern D und d Flankenspiels 12 (entsprechend dem Winkel b), welches dem zur Verfügung stehenden Bauraum sowie den Radien 5,6 doppelten Wert des Unterschiedes zwischen dem Eingriffs- und der Zähnezahl abhängige Grösse. Ferner werden die winkel a und dem Eingriffswinkel c entspricht, hängt ab von Abrundungsradien für den Zahnkopf und den Zahnfuss so der Fertigungsgüte der Nabenverzahnung 4 und der Wellen- gewählt, dass zwischen der tangential wirkenden Umfangs-verzahnung 2 sowie einem gewünschten Minimalspiel zwi- 20 kraft bei Einwirkung eines Drehmoments und der Flanke 7 sehen beiden Teilen. Durch die Berücksichtigung des Flan- ein Winkel zustandekommt, der grösser als der Reibungskenspiels 12 bei der Festlegung des Eingriffswinkels c an den winkel ist. Dadurch wird ein Verkeilen z. B. des wellensei-nabenseitigen Zähnen 4 aber kommt die hohe Zentriergenau- tigen Zahnes 2 in der zugehörigen Lücke der Nabe 3 und die igkeit und das gute Tragverhalten zustande, das diese Verzah- dabei auftretende Selbsthemmung vermieden. Die Nabe 3 nung auszeichnet. 2s behält dadurch auf der Welle 1 ihre uneingeschränkte axiale

Die Figur 3 zeigt darüber hinaus die Verzahnung in einer Beweglichkeit.

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I Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE ruhen sollen, wie z. B. ein Flansch auf einer Getriebewelle,

1. Verzahnung zur lös- und verschiebbaren Verbindung sondern axial beweglich bleiben sollen, ist Spiel in der Ver-sowie Drehmomentübertragung zwischen zwei koaxial inein- zahnung erforderlich. Dadurch aber kommen nach Überander angeordneten Bauteilen, ferner mit einer Anzahl windung des Spiels die beiden Flanken, die nur im Idealfall Zähnen, deren Zahnhöhe (h) von den genannten Durchmes- 5 parallel sind, unter spielbedingtem Verdrehwinkel aufein-sern (D, d) abhängt und die gerade Zahnflanken aufweisen, ander. Da ausserdem die beiden Teile stets mit gleichen Eindie unter einem Eingriffswinkel zueinander stehen sowie griffswinkeln versehen sind, findet die Berührung nur an den Fuss- und Kopfausrundungsradien aufweisen, gekenn- Kanten statt oder auf grösserer Fläche bei entsprechender zeichnet durch die folgenden Merkmale : Verformung oder eingetretenem Verschleiss, insbesondere a) der Ausrundungsradius am Zahnfuss oder Zahnkopf io dann, wenn die Verzahnung mit Innen- oder Aussenzentrie-beträgt das 1 bis 2-fache der Zahnhöhe (h) ; rang gefertigt ist.

b) der Eingriffswinkel (a) liegt im Bereich zwischen 45 Aus der DIN 5480 ist eine Verzahnung mit Evolventen-und 70 Grad, profil bekannt mit einem trapezförmigen Bezugsprofil,

c) zwischen den Zähnen (2) des wellenseitigen Teils (1) welches bei Herstellung im Abwälzverfahren auf dem Wel-und den Zähnen (4) des nabenseitigen Teils (3) ist ein Flan- is lenteil eine evolvente Zahnflanke erzeugt. Beim Nabenteil, kenspiel (12) vorhanden, und der Eingriffswinkel (a) der das im Falle der Lamellenkupplung wieder aus dünnen Wellenverzahnung (2) ist um einen Winkelbetrag, der dem Scheiben besteht, muss das Stanzwerkzeug ein genau zum halben Verdrehwinkel (b) bei Überwindung des Flanken- Wellenzahn passendes Profil aufweisen. Auch bei dieser Ver-spiels (12) zwischen Welle (1) und Nabe (3) entspricht, zahnung, die ebenfalls für Aussen-, Innen- oder Flankenzen-grösser als der Eingriffswinkel (c) der Nabenverzahnung (4). 20 trierung herstellbar ist, kommt es, bedingt durch das erfor-
2. Verzahnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- derliche und herstellungsbedingte Spiel, bei Übertragung zeichnet, dass die Flanken (7) zweier benachbarter Zähne (2, von Drehmoment zum einseitigen Tragen an Kanten, weil 4) eines der beiden Bauteile durch einen einzigen gemein- sowohl das Wellen- als auch das Nabenprofil dieselbe Kontur samen Ausrundungsradius (5,6) verbunden sind. nach Norm aufweisen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass
3. Verzahnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, 25 diese Verzahnungen, im Gegensatz zu einer Laufverzahnung dadurch gekennzeichnet, dass der Eingriffswinkel (a) so von Zahnrädern, mehr und kleinere Zähne aufweisen und gewählt ist, dass bei der Verdrehung und unter der Wirkung gänzlich andere Zahnform erhalten, insbesondere die Innendes Drehmomentes keine Verkeilung zwischen Welle (1) und Verzahnung des Nabenteils. Der Zahn hat kleine Ausrun-Nabe (3) durch Selbsthemmung eintritt. dungsradien an Fuss und Kopf. Dies erfordert ein teueres
4. Verzahnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch 30 und empfindliches Stanzwerkzeug, und trotzdem lassen sich gekennzeichnet, dass der Eingriffswinkel (a) zwischen 55 die Nabenteile nur mit grossen Toleranzen und nachteiliger und 65 Grad liegt. Verformung im Bereich der Schnittkanten (Stanzeinzug) her-
5. Verzahnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch stellen. Grössere Genauigkeit beider Teile erfordert teuere gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Zahnhöhe (h) zum spanabhebende Nacharbeit. Zu grosses Spiel in der Kupplung grössten Aussendurchmesser (D) zwischen 1 :20 und 1 :50 35 ist die Ursache von unangenehmen Klappergeräuschen und liegt. vorzeitigem Verschleiss.
6. Verzahnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch Bekannt ist eine Verzahnung zur Übertragung eines Drehgekennzeichnet, dass die Teilung (T) grösser ist als das momentes ferner aus der FR-PS 1 560 270. Die Zahnflanken 3-fache der Zahnhöhe (h). weisen jedoch keine ebene Fläche auf, sondern bestehen aus

40 Bögen, wobei der Fusskreis unmittelbar in den Kopfkreis übergeht. Zwischen dem Naben- und dem Wellenteil kann nur Linienberührung stattfinden.

Aus der DE-AS 2 636 382 ist eine Verzahnung bekannt,